(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一平面上に複数の燃料電池セルが配置された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの片面を空気流空間を介して被覆する筐体と、
前記空気流空間内に空気流を形成させる空気流発生部と、
前記空気流空間から排出された排ガスが、前記空気流発生部を介して再び前記空気流空間に導入されるように設けられた送風経路と、
を具備する
燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載された燃料電池システムであって、
前記空気流空間は、スタック吸気開放部と、スタック排気開放部とにおいて開放されており、
前記送風経路は、前記スタック排気開放部を、前記空気流発生部を介して、前記スタック吸気開放部の少なくとも一部分に連通させるように設けられ、
前記空気流空間は、前記スタック吸気開放部の一部で前記送風経路に連通し、前記スタック吸気開放部の他の部分で外部と連通しており、
前記スタック排気開放部からの排ガスと、外部の空気とが前記スタック吸気開放部から前記空気流空間へと供給される
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された燃料電池システムであって、
前記空気流発生部は、ファンを有している
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載された燃料電池システムであって、
前記ファンは、前記燃料電池スタックの平面方向に、前記燃料電池スタックと平行に配置されている
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１に記載された燃料電池システムであって、
前記複数の燃料電池セルは、複数の列を有するように配置され、
前記空気流空間は、前記複数の列の間において、空気流を整流する仕切りによって分割され、
前記送風経路は、前記複数の列のうちの一の列から排気された排ガスが、前記空気流発生部を介して、前記複数の列の内の他の列に供給されるように設けられている
燃料電池システム。
【請求項６】
請求項５に記載された燃料電池システムであって、
前記空気流発生部は、ファンを有し、
前記空気流発生部、前記燃料電池スタック、及び前記送風経路は同一平面上に配置され、
前記空気流発生部、前記燃料電池スタック、及び前記送風経路は、単一の前記筐体に納められ、
前記空気流空間は、前記一の列において前記空気流発生部の吸気側に連通し、前記他の列において、前記空気流発生部の排気側に連通している
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に複数の燃料電池セルが同一平面上に配置された平面スタック型の燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟持した構造の電極−電解質膜接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ。以下、ＭＥＡという。）を備えている。液体燃料を直接アノードに供給するタイプの燃料電池は、直接型燃料電池と呼ばれる。その発電メカニズムは、供給された液体燃料がアノードに担持された触媒上で分解してプロトン、電子及び中間生成物を生成し、生成した陽イオンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、生成した電子が外部負荷を経てカソード側に移動し、そしてプロトンと電子がカソードで空気中の酸素と反応して反応生成物を生じることによって発電するというものである。例えば、液体燃料としてメタノール水溶液をそのまま使用するダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣという。）では、下式１で表される反応がアノードで起こり、下式２で表される反応がカソードで起こる。
（化学式１）；ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →ＣＯ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−
（化学式２）；６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  ＋  ３／２Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ【０００３】
液体燃料を使用した固体高分子電解質型燃料電池は、小型、軽量化が容易であるために、今日では携帯機器をはじめとした種々の電子機器用電源としての研究開発が活発に進められている。例えば、ＰＣのような電子機器の電源として用いるためには、単一のＭＥＡでは出力が小さく、必要とする電圧を得られないため、複数の燃料電池セルを連結することになる（以下、燃料電池システムの発電における最小ユニットを燃料電池セルと呼び、その燃料電池セルの集合体を燃料電池スタックと呼ぶ）。このような複数の燃料電池セルで構成された燃料電池システムとしては、燃料電池の単位セルがセルの厚み方向に積層したバイポーラ型と、燃料電池の単位セルが平面的に並ぶ平面スタック型とが知られている。【０００４】
ノート型ＰＣのように、携帯することを念頭に置いた機器においては、厚さに対する制約があるため、薄く構成される平面スタック型の方が向いている。平面スタック型において、複数の燃料電池セルが平面的に配置され、隣接した燃料電池セルを集電体などで接続することによって、高い電圧および出力を得ることができる。平面スタック型を用いる場合、燃料電池システム全体が携帯機器のフットプリントに納まる程度に小型であることが望ましい。【０００５】
ところで、燃料電池システムでは、カソードに常に酸素を供給しつづける必要がある。平面スタック型の燃料電池システムでは、酸素を供給する手法として、（Ａ）燃料電池スタックを筐体内部に搭載させ、筐体と燃料電池スタックとの間の空間に小型ファンを用いて空気を強制的に供給する、（Ｂ）カソード面を大気に開放して自然吸気させる、などの手法が知られている。ただし、（Ｂ）カソード面を大気開放する自然吸気型の構造は、カソード面を被覆させると発電できないため、燃料電池自身を携帯機器内部に収納するような構造にすることが難しい。また、燃料電池を収めることだけを目的とした筐体を別個に設けたとしても、その筐体に設けられた通気孔を塞がないようにする配慮が必要である。これに対し、（Ａ）燃料電池自体を筐体などに収め、小型ファンなどで空気を強制送風させる手法では、吸気部分および排気部分を塞がない限りは安定して発電することができる。従って、携帯機器の電源として有利な点が多い。【０００６】
燃料電池を携帯機器に内蔵するためには、燃料電池システムはできるだけ小型であることが求められる。そのためには、燃料電池スタックは小型・薄型である必要があり、ひいては燃料電池セルのカソード電極と、それに対面する筐体の内側との距離は、できる限り近いことが好ましい。しかし、消費電力の大きな燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックと筐体との間の空間を空気流が流れる過程において、多数の燃料電池セル上を空気が通過することになる。そのため、吸気部分に近い側の燃料電池セルでは、常に新鮮な空気にさらされるために空気は比較的低湿度であり温度は低くなるのに対し、排気部分に近い側の燃料電池セルでは、いくつものカソードから発せられた熱や水分が送られてくるため、温度および湿度は高くなる傾向がある。【０００７】
このような状況下においては、同じ燃料電池スタックにありながら、その発電環境が低温・低湿度の燃料電池セルと、高温・高湿度の燃料電池セルとが隣接して共存することになる。温度、湿度が不均一となると、部分的な結露を起源としたフラッディングが起こりやすい。従って、複数の燃料電池セルにおいて、温度、湿度を均一にして発電環境を均一にする技術が求められる。【０００８】
フラッディングを防止するためには、燃料電池スタックと筐体との間の空間に送風するガス（酸化剤ガス）の流量を強くすることが考えられる。しかしながら、アノード側からＭＥＡを通じてカソード側に周りこんだ燃料成分や、カソード生成水が、空気流と共に外部へ放出されることになり、結果的に燃料が無駄に消費されて、燃料単位量あたりの発電時間が減少してしまう。従って、発電効率を落とさずに、発電環境を均一にする技術の提供が望まれる。【０００９】
上記と関連して、特開２０００−１６４２２９号公報は、燃料電池セルの乾燥を防ぐために、電池反応部を通過した既反応ガスと電池反応部を通過する前の未反応ガスを、保水性の多孔質体を介して接触させることにより、温度及び湿度交換を行う温湿度交換手段を備え、反応ガスの少なくとも一方は、多孔質体と接するように設けられた少なくとも一層のメッシュ状のガス供給経路内を流通するように構成することが記載されている。【００１０】
また、特開２００４−１４１４９号公報には、カバー板に設けられた空気孔を通して大気中の酸素が正極と接することが記載されている。【００１１】
また、特開２０００−３３１７０３号公報には、燃料電池における水の回収利用を円滑に行うための技術が開示されている。即ち、特許文献３には、燃料電池の酸化反応により生成する水蒸気を凝集手段により液化して凝縮水とし、その凝縮水を脱塩処理する手段を設け、燃料電池の排ガス側から脱塩手段までの間の排気・回収ラインに、燃料電池の空気極へと供給される空気を燃料電池への供給前に水蒸気又は／及び凝縮水に接触させる気液接触手段、を設けることが記載されている。【００１２】
また、特開２０００−３３１６９９号公報には、小型・軽量で且つ発電効率の高い固体高分子型の燃料電池システムを提供する技術が開示されている。即ち、特許文献４には、酸化剤ガスをカソードに供給する経路に、酸化剤ガスとカソードから排出されるカソード排ガスとが導入されるとともにこれらを熱交換させることによりカソード排ガス中に含まれる水分を凝集させる水凝集器を備え、その水凝集器における、その酸化剤ガスの排出口そのカソード排ガスの排出口とを連結するように連続して設けられたガス透過性の吸水部材を有する燃料電池システム、が記載されている。【００１３】
また、特開２００５−１０８７１３号公報には、長時間に渉って安定した発電が可能な燃料電池を提供するための技術が開示されている。即ち、特許文献５には、起電部から排出された水を効率よく回収し、発電反応に再利用するために、カソード流路を複数の分岐流路に分岐し、これらの分岐流路をカソード冷却器によって冷却することが記載されている。【００１４】
また、特開２００３−２８２１３１号公報には、セルパック内部への円滑な空気の供給が可能であり、外部からの異物の流入を効果的に抑制できるＤＭＦＣセルパックを提供するための技術が記載されている。即ち、特許文献６には、ＭＥＡのカソードに接触する上部側板状部材及び／または下部側板状部材の各内面に空気チャンネルが形成されていることによって、いずれか一方で使用者や使用環境による空気供給の遮断が発生しても他の部分から空気チャンネルを通じて空気が供給されるようになっている、ことが記載されている。【００１５】
また、特開２００４−２４１３６７号公報には、カソードで生じた生成水を再利用するための技術が記載されている。即ち、特許文献７には、ＭＥＡとセパレータとを有し、セパレータのＭＥＡ対向面に反応ガス流路が形成された燃料電池において、セパレータの少なくとも一部に多孔質部を形成し、その多孔質部の反応ガス流路背面に冷却用ガス流路を形成した燃料電池、が記載されている。【００１６】
しかしながら上述の何れの文献においても、携帯機器に求められる要求である省スペース化、低消費電力が達成された上でカソード排気に含まれる水分を再利用することは解決されていない。
【発明の開示】
【００１７】
従って、本発明の目的は、ＭＥＡの発電環境を均一にすることのできる燃料電池システムを提供することにある。
【００１８】
本発明の他の目的は、携帯機器に求められる省スペース化、低消費電力化の達成された上で、ＭＥＡの発電環境を均一にすることのできる燃料電池システムを提供することにある。
【００１９】
本発明の更に他の目的は、携帯機器に求められる省スペース化、低消費電力化が達成された上で、カソード排気に含まれる水分を再利用することのできる燃料電池システムを提供することにある。
【００２０】
本発明に係る燃料電池システムは、同一平面上に複数の燃料電池セルが配置された燃料電池スタックと、燃料電池スタックを、燃料電池スタックとの間に空気流空間を空けて被覆する筐体と、空気流空間内に、複数の燃料電池セルの各々に酸化剤ガスを供給するための空気流を形成させる空気流発生部と、空気流空間から排出された排ガスが、空気流発生部を介して再び空気流空間に導入されるように形成された送風経路と、を具備する。
【００２１】
上述した構成に依れば、空気流空間から排出された排ガスは、燃料電池スタックのカソード生成水を含んでいるので、高湿度となっている。また、発電反応の発熱により、その排ガスは温められている。その排ガスを、空気流発生部を介して再び空気流空間に供給することで、乾燥し易く冷却されて低温となり易い位置に配置された燃料電池セルを加湿し、温度を維持することができる。
【００２２】
また本発明において、空気流空間は、空気流空間に酸化剤ガスを取り入れるためのスタック吸気開放部と、空気流空間からのその排ガスを排出するためのスタック排気開放部と、によって開放されている。送風経路は、スタック排気開放部からの排ガスを、空気流発生部を介して、スタック吸気開放部の少なくとも一部から空気流空間へ再び導風するように設けられている。空気流空間は、スタック吸気開放部の一部で送風経路に連通し、スタック吸気開放部の他の部分で外部と連通している。スタック排気開放部からの排ガスと、外部の空気と、がスタック吸気開放部から空気流空間へと供給される。
【００２３】
また、空気流発生部は、ファンを有していることが好ましい。また、ファンは、燃料電池スタックの平面方向に、燃料電池スタックと平行に配置されていることが好ましい。このようにファンが配置されていることによって、厚さ方向に対するスペースが省略化される。
【００２４】
また、本発明の他の形態において、複数の燃料電池セルは、複数の列となるように配置されており、空気流空間は、その複数の列の間において、空気流を整流するための仕切りによって分割されていることが好ましい。ここで、送風経路は、その複数の列のうちの一の列から排気された排ガスが、空気流発生部を介して、その複数の列のうちの他の列に供給されるように設けられている。
【００２５】
更に、上述の燃料電池システムにおいて、空気流発生部はファンを有し、空気流発生部、燃料電池スタック、及び送風経路は同一平面上に配置され、空気流発生部、燃料電池スタック、及び送風経路は、単一の筐体に納められていることが好ましい。ここで、その一の列の燃料電池セル上の空気流空間は、送風経路を介して空気流発生部に連通している。また、空気流発生部は、送風経路を介して、その他の列の燃料電池セル上の空気流空間と連通している。
【００２６】
本発明に依れば、ＭＥＡの発電環境を均一にすることのできる燃料電池システムが提供される。
【００２７】
本発明に依れば、更に、携帯機器に求められる省スペース化、低消費電力化の達成された上で、ＭＥＡの発電環境を均一にすることのできる燃料電池システムが提供される。
【００２８】
本発明に依れば、更に、携帯機器に求められる省スペース化、低消費電力化が達成された上で、カソード排気に含まれる水分を再利用することのできる燃料電池システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池スタックの上面図である。
【図２Ａ】ファンの構造を示す上面図である。
【図２Ｂ】ファンの構造を示す側面図である。
【図２Ｃ】ファンの構造を示す斜視図である。
【図２Ｄ】ファンの構造を示す斜視図である。
【図３Ａ】空気流発生部の構造を示す上面図である。
【図３Ｂ】空気流発生部の構造を示す側面図である。
【図３Ｃ】空気流発生部の構造を示す斜視図である。
【図３Ｄ】空気流発生部の構造を示す斜視図である。
【図４】ダクトの構造を示す図である。
【図５】ダクトの配置を示す斜視図である。
【図６】ダクトの配置を示す斜視図である。
【図７】ダクトの配置を示す斜視図である。
【図８】燃料電池セルの構造を示す断面図である。
【図９】第２の実施形態に係る燃料電池システムの上面図である。
【図１０】比較例１の燃料電池システムの上面図である。
【図１１】実験結果を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に、図面を参照して、本発明の燃料電池システム１について説明する。【００３１】
（第１の実施形態）
（構成）
図１は、本実施の形態に係る燃料電池システム１の構造を示す概略図である。図１において、燃料電池スタック１５の上面図と、この上面図のＤＤ’に沿った断面図及びＣＣ’に沿った断面図が描かれている。尚、上面図において、内部の構成は、筐体やダクトに覆われているので、実際には見えないが、説明の便宜上から、透視させて示している。【００３２】
燃料電池システム１は、複数の燃料電池セル１１がフレーム１０上に平面的に配置された燃料電池スタック１５、燃料電池スタック１５を収納する筐体１４、空気流を形成させるための空気流発生部１００、及びダクト８０を有している。燃料電池スタック１５と筐体１４との間には空間（空気流空間２７）が設けられている。空気流空間２７は、一端２５で空気流発生部１００に連通し、他端２４においてダクト８０内部の空間と連通している。また、ダクト８０内部と空気流発生部１００とは連通している。これにより、空気流空間２７の一端２５から、空気流発生部１００、及びダクト８０内部を介して空気流空間２７の他端２４へ接続される送風経路９０（ＤＤ’断面図の矢印）が形成されている。また、燃料電池システム１には、図示していないが、燃料をためておくための燃料マザータンク、燃料を流すためのポンプ、電気エネルギーを取り出すための配線も設けられている。これらの各構成の詳細について、以下に詳述する。【００３３】
（全体構成）
燃料電池スタック１５は、フレーム１０上に複数の燃料電池セル１１が配置されたものである。本実施の形態では、６個の燃料電池セル１１が、２列×３行で並べられている。燃料電池セル１１の構成については後述するが、全ての燃料電池セル１１は、カソード面を上向き（フレーム１０の反対側向き）として配置されている。また、燃料電池セル１１は、列方向に直列に接続されている。図１ＤＤ’断面図における符号４０は集電体４０であり、燃料電池セルの列間を電気的に接続するものである。全ての燃料電池セル１１が電気的に直列に接続されている。燃料電池スタック１５には、取り出し用端子１５２、１５１が接続されており、取り出し用端子１５１、１５２を介して電力が外部へ取り出されるようになっている。【００３４】
筐体１４は、筐体本体１４０と蓋７０とを有している。筐体本体１４０は、断面がコの字状であり、燃料電池スタック１５が載置される底面と、その底面から立ちあがる２つの側面とを有している。底面は、２列×３行の燃料電池スタック１５の形状に対応した矩形状である。側面は、底面の対向する２辺にのみ設けられており、他の２辺には側面は設けられていない。【００３５】
蓋７０は、筐体本体１４０の側面によって支えられるようにして、筐体本体１４０の上に配置されている。蓋７０と燃料電池スタック１５とは、接触しておらず、空間が設けられている。この空間が空気流空間２７である。空気流空間２７は、燃料電池スタック１５の各燃料電池セル１１に設けられたカソードと接している。これにより、空気流空間２７を流れる空気は、カソードに酸化剤ガスとして供給される。また、空気流空間２７は、筐体本体１４０の側面の設けられていない２面において開放されている。この２面の開放部が、それぞれ、空気流空間２７に酸化剤ガスを供給するためのスタック吸気開放部２４、空気流空間２７から排ガスを排出するためのスタック排気開放部２５となっている。【００３６】
尚、蓋７０と筐体本体１４０とは一体であってもよい。また、着脱自在のセパレート型のようなものであってもよい。蓋７０の材質としては、燃料電池スタック１５で発生した熱が放出され易いように、ステンレスやアルミなどの金属を母体とし、その表面を絶縁性のビニールなどで被覆することが好ましい。また、蓋７０と、後述するファンカバー５２上部の面はできるだけ同じ高さであり、平滑であることが好ましい。【００３７】
空気流発生部１００の構成について詳述する。空気流発生部１００は、ファン５１と、ファン５１を覆うファンカバー５２を有している。【００３８】
図２Ａ〜Ｄは、ファン５１の構成を示す図である。図２Ａは、ファン５１の上面図、図２Ｂは側面図、図２Ｃは排気側の斜め方向から見たときの図、図２Ｄは吸気側の斜め方向から見たときの図である。【００３９】
図２Ａ〜Ｄに示されるように、ファン５１は、ファン本体５７（図２Ｂにのみ描かれている）、及びファン本体５７を覆うように設けられてファン本体５７を支持するファン支持体５８を有している。ファン本体５７は羽根状であり、回転することによって気流を発生させる。ファン支持体５８には、ファン本体５７が回転したときに気流の吸込み側となる面に設けられたファン吸気口５５と、ファン本体５７の気流吐き出し側においてファン吸気口５５に対して垂直方向を向いて設けられたファン排気口５６と、を有している。このような構造により、ファン５１は、気流を、上側（ファン吸気口５５側）から吸込み、横側（ファン排気口５６）から吐出する。【００４０】
図３Ａ〜Ｄは、ファン５１がファンカバー５２で覆われた状態を示す図である。即ち、空気流発生部１００の構成を示す図である。図３Ａは、空気流発生部１００の上面図、図３Ｂは側面図、図３Ｃは排気側の斜め方向から見たときの斜視図、図３Ｄは吸気側の斜め方向から見たときの斜視図である。図３Ａ〜Ｄにおいて、ファン５１は実際にはファンカバー５２に覆われていて見えないが、説明のために透視させて描かれている。【００４１】
図３Ｂに示されるように、ファンカバー５２は、ファン５１の上面を若干の空間をあけて被覆するように配置されいてる。ファンカバー５２の側部には、ファンカバー吸気口５３と、ファンカバー排気口５４とが、夫々対向する面に設けられている。ファンカバー吸気口５３は、ファン５１の上側の空間に接続されている。一方、ファンカバー排気口５４は、ファン排気口５６に対応する側面に設けられている。【００４２】
このような構成によって、空気流発生部１００は、ファンカバー吸気口５３から気流を吸い込み、ファンカバー排気口５４から排気する。即ち、ファン本体５７自体は上方から気流を吸引して下方へ排気するが、空気流発生部１００全体としては、ファン支持体５８やファンカバー５２に設けられた開口の位置によって、横方向から吸気して、吸気側とは反対方向から排気するように構成されている。【００４３】
再び図１を参照して、空気流発生部１００の配置について説明する。空気流発生部１００は、燃料電池スタック１５と同一平面上になるように寝かせて配置されている。ここで、ファンカバー吸気口５３が、スタック吸気開放部２５に面するように配置されている。尚、スタック排気開放部２５とファンカバー吸気口５３との間の空間は連結部材によって閉じられている。このような構成により、スタック排気開放部２５から排気された排ガスは、ファンカバー吸気口５３からファンカバー５２内部へ吸引される。ファン５１を通った排ガスは、ファンカバー排気口５４を介して、燃料電池スタック１５の反対側の側部から空気流発生部１００の外へ吐出されるようになっている。【００４４】
尚、空気流発生部１００としては、シロッコファン、軸流ファン、クロスフローファン、及びターボファンなども用いることができる。但し、携帯機器に搭載することを考慮した場合、薄型径流ファンなどの消費電力の小さなものを用いることが好ましい。【００４５】
続いて、ダクト８０について説明する。図４は、ダクト８０の形状を示す斜視図である。ダクト８０は、ダクト本体８３とガイド８１とから形成されている。ダクト本体８３は矩形状の部材と、その対向する２辺に設けられたダクト側壁８２とによって形成されている。ガイド８１は、矩形状の部材の他の２辺に夫々接続され、下方向へ円弧を描くように曲げられて延びている。また、ガイド８１において、ダクト側壁８２の位置に対応した部分には、側壁が設けられている。【００４６】
再び図１を参照する。上述のような構成を有するダクト８０が、ダクト本体８３を蓋７０及びファンカバー５２の上面に配置されている。ダクト８０の長手方向の長さは、蓋７０とファンカバー５２とを併せた長さに一致している。ダクト８０と蓋７０との間にはダクト側壁８１の厚さ分の空間が形成されている。ダクト８０と蓋７０との間の空間は、ファンカバー５２側に設けられたガイド８１によって、ファンカバー排気口５４に接続されている。また、スタック吸気開放部２４側に設けられたガイド８１によって、スタック吸気開放部２４の一部に接続されている。【００４７】
図５は、ダクト８０の配置をファンカバー５２側から見て説明するするための斜視図である。図中、矢印は排ガスの流れる方向を示している。説明の便宜上、ファンカバー５２の構成の一部を透視させて示している。ガイド８１がファンカバー５２の側部に配置されていることによって、ファンカバー５２内部は、ガイド８１を介して、ダクト本体８３内部の空間（ダクト８３と蓋７０とで形成された空間）に連通している。即ち、ファンカバー排気口５４から排出された排ガスは、ガイド８１内を通ってガイド本体８３側へと折り返される。【００４８】
図６は、ダクト８０の配置をスタック吸気開口部２４側から見て説明する斜視図である。図５同様、矢印が排ガスの流れる方向を示している。また、説明の便宜状上、燃料電池スタック１５の構成の一部を透視させて示している。ダクト８０内を流れてきた排ガスは、ガイド８１によって折り返されて、再びスタック吸気開放部２４から空気流空間２７内へ導入される。なお、ガイド８１は、スタック吸気開放部２４を完全に覆うように設けられているのではなく、スタック吸気開放部２４の一部に接続されている。これにより、スタック吸気開放部２４からは、ダクト８０内を流れてきた排ガスに加えて、外部からの空気も取りこまれるようになっている。【００４９】
上述のような構成により、図１のＤＤ’の断面図に示されるように、空気流発生部１００が気流を発生させると、空気流空間２７内の空気は、空気流発生部１００を介してダクト８０へ排出され、更にスタック吸気開放部２４から再び空気流空間２７へ導入される。このようにして、燃料電池スタック１５から排出された排ガスが再び燃料電池スタック１５へ供給される送風経路９０が形成されている。【００５０】
送風経路９０を介して空気流空間２７へ再供給される排ガスは、各燃料電池セル１１のカソードで生成した生成水を含むために高湿度となっている。また、発熱する燃料電池スタック１５上を通過してきたために温められている。この排ガスがスタック吸気開放部２４から再供給されるので、乾燥し易く、冷却されて低温となり易いスタック吸気開放部２４近傍（上流側）の燃料電池セル１１を加湿し、温める事ができる。よって、上流側の燃料電池セル１１と下流側の燃料電池セル１１との発電環境を、温度及び湿度の観点から均一にする事ができる。【００５１】
尚、ダクト本体８３は、筒状であり、内部を排気ガスが通過する構成としてもよいが、上述のようにダクト本体８３を蓋７０の上に載せて、蓋７０が送風経路９０の底面となる構造としたほうが、ダクト８０内部の温度を空気流空間２７と近くすることができるのでこのましい。また、厚みを低減する上でも好ましい。【００５２】
ダクト本体８３の材質としては、例えば、プラスチック製や金属製の板等を使用することができるが、これらに限定されるものではない。但し、高湿度の排気が通過することになるので、結露した際に腐食し易い金属製のものを用いた場合には、表面をビニル等でコーティングすることが好ましい。【００５３】
ダクト側壁８２に関しては、ダクト本体８３と同じ材質でもよいが、例えば、厚さ０．１〜１．０ｍｍ程度のウレタン素材などの気密性のある材料を、幅０．５〜３．０ｍｍ程度の帯状に裁断し、ダクト本体８３を成す平板に貼り付けるような簡単な構造であってもよい。ウレタン素材を用いる場合、吸水性のある素材を用いることによって、ダクト８０内部で結露した水を吸水させ、排気の流れが滞ることを防ぐことも可能である。また、ダクト側壁８２自体には気密性がなくても、外側から気密性のあるテープなどで塞げば、ダクト８０としての効果は得る事ができる。更には、部分的にダクト側壁８２が無い部分を設け、送風経路９０内に外気を取り入れる箇所を設けてもよい。これにより、排ガスの湿度が必要以上に高くなる事を避け、結露を防止することができる。このように、ダクト側壁８２としては、必要に応じてその材質の持つ機能を利用することができる。【００５４】
ガイド８１に関しては、丸めても折れ曲がりにくく、比較的柔らかな塩化ビニルなどのプラスチック素材が適している。但し、塩化ビニル等のプラスチック素材に限定されるものではない。また、その形状は、図４に示したように、板状の材料を円弧状に丸め、側方をテープなどで塞いだ構造が基本となるが、その形状に関してもここで述べたようなものに限定されるものではない。燃料電池スタック１５のカソード３１面を通過してきた空気（空気流空間２７から排出された排ガス）が、ダクト８０に導風され、更に、スタック吸気開放部２４の一部から再度空気流空間２７に再供給されるような形状・構造であればよい。【００５５】
また、空気流空間２７から排気された排ガスの全てをダクトを介して燃料電池スタック１５に供給する必要はない。ガイド８１とファンカバー排気口５４との間や、ガイド８１とスタック吸気開放部２４との間には隙間があり、必要に応じて送風経路９０を通過する排ガスの一部が、外気に排出されるように構成されていてもよい。特に、ダクト８０からスタック吸気開放部２４に導風する際には、ダクト８０を通過した排ガスを全てスタック吸気開放部２４に導く必要は無く、一部の排ガスをガイド８１の隙間などから常に逃してやるような構造でもいい。【００５６】
また、スタック吸気開放部２４は、完全にガイド８１で被覆するような構成にしてしまうと、外部から新鮮な空気が供給されなくなってしまう。このため、ガイド８１は、スタック吸気開放部２４の一部分のみを被覆するように設けられる。スタック吸気開放部２４の全開放面積に対して、ガイド８１が接続している部分の面積の割合は、特に限定されないが５〜８０％程度が適当である。また、複数の燃料電池セル１１の列に渉ってカソード排気を再供給する際には、燃料供給経路などの影響で温度が上昇し易いカソード３１を持つ燃料電池セル１１がある列には、比較的ガイド８１の割り当てを小さくし、温度が高くなりにくく、空気流空間の湿度が低下し易い列にはガイド８１の割り当てを大きくするなどして、発電環境を最適化する事もできる。【００５７】
ダクト本体８３部分における断面形状は、例えば長方形のように、最も厚さを制限した中でも効果を発揮できる形状がよいが、携帯機器の内部構造によって制限が生じる場合には、複数の小さな円筒状の構造などを用いる事もでき、特に限定されない。また、断面積は、ダクト８０内部空間における排ガスの流速や湿度を考慮して、漸増・漸減させるようにしてもよい。また、ダクト８０内部での結露を考慮した場合、結露した水がダクト８０内部でカソード排気の流れを妨げる事が無いように、ダクト８０内部にプラスチック製などのメッシュを添付した構造とし、結露した水がメッシュに沿って広がるような効果を得る事もできる。メッシュは、ガイド８１の内側に貼っても効果的であり、ガイド８１を通じて結露水を燃料系統に戻す事もできる。メッシュに関しては、プラスチック製や金属製のものを用いる事ができる。特に、メッシュ径を規定することはないが、好ましくは、４０〜２００メッシュ程度のものがよい。更に、吸水性を持つ素材を使用することによって、ダクト８０内での結露に起因する気流のを抑制することもできる。【００５８】
空気流発生部１００を燃料電池スタック１５と同一平面上に配置することで、厚み方向のスペースを省スペース化させることができるが、厚み方向のスペースに余裕がある場合には、必ずしも同一平面上に配置する必要は無い。図７は、空気流発生部１００の配置を変形させた例について示している。図７に示される変形例においては、空気流発生部１００（ファンカバー５２）が、蓋７０の上に配置されている。このように、燃料電池スタック１５の上側に空気流発生部１００を配置してもよい。また、空気流発生部１００をダクト８０内部に埋設するように配置してもよい。更に、正圧で送風するシステムにおいては、スタック排気開放部２５側ではなくて、スタック吸気開放部２５側に空気流発生部１００を配置してもよい。【００５９】
尚、本実施の形態では、空気流発生部１００は空気流空間２７に対して負圧となることで空気流空間２７内の気体が吸引される場合について説明したが、空気流発生部１００側が正圧となり、空気流空間２７内へ気体を送出するような構成としてもよい。即ち、ファン５１を上下逆に配置して、送風の向きを逆にしてもよい。このような構成としても、空気流空間２７からの排ガスの少なくとも一部が、再び空気流空間２７内へと戻され、加温・加湿効果を享受できることは、当業者にとっては自明的であろう。【００６０】
（燃料電池セル）
続いて、各燃料電池セル１１の構成についての詳細を説明する。図８は、図１のＣＣ’断面を拡大して示す図である。即ち、図８には燃料電池セル１１の構成が詳細に描かれている。各燃料電池セル１１は、ＭＥＡ１３、カソード集電体４１、アノード集電体４２、燃料タンク部１２、及び複数のシール部材４３を有している。【００６１】
既述のように、燃料タンク部１２は、フレーム１０に設けられた凹部である。燃料タンク部１２には、ＭＥＡ１３に供給される液体燃料（メタノール）が蓄えられる。また、燃料タンク部１２には、ウィッキング材６０が挿入されている。ウィッキング材６０は、燃料供給補助の目的で挿入される。ウィッキング材６０の素材としては、発泡ウレタン等が例示される。尚、燃料がＭＥＡに安定的に供給されるのであれば、ウィッキング材６０は必ずしも必要では無い。【００６２】
ＭＥＡ１３は、燃料タンク部１２の上部開口を覆うように配置されている。ＭＥＡ１３は、略正方形の形状である。ＭＥＡ１３は、固体高分子電解質膜３３、アノード３２、及びカソード３１を有している。固体高分子電解質膜３３の片面にアノード３２が、他面にカソード３１が配置されており、アノード３２とカソード３１によって固体高分子電解質膜３３が挟持された構成となっている。【００６３】
ＭＥＡ１３は、アノード３２側を下向き（燃料タンク部１２側）として配置されている。ＭＥＡ１３のアノード３２側にはアノード集電体４２が、カソード３１側にはカソード集電体４１が、夫々周縁部に配置されている。アノード集電体４２及びカソード集電体３１は枠状である。アノード集電体４２及びカソード集電体４１は、ＭＥＡ１３の端部を挟むようにして配置されている。即ち、アノード３２は、アノード集電体４２の内側にあたる中央部で燃料タンク部１２に接している。また、カソード３１は、カソード集電体４１の内側にあたる中央部で、上部の空間に接している。ここで、カソード３１上部の空間が、空気流空間２７である。【００６４】
シール部材４３は、各構成部材の隙間を埋めるように適宜配置される。シール部材４３によって、燃料電池セル１１から液体燃料が漏れないようになっている。【００６５】
このような構成により、燃料タンク部１２に蓄えられた液体燃料が、アノード３２に供給される。一方、カソード３１へは、空気流空間２７から空気が供給される。これにより発電反応が発生し、発生した電力はアノード集電体４２及びカソード集電体４１によって取り出される。【００６６】
尚、ＭＥＡ１３は、固体高分子電解質膜３３の両面に、カーボン母体の触媒層を塗布した、カーボンもしくは金属製導電性シート状電極を、触媒を塗布した面を固体高分子電解質膜３３に向けるようにして配置することで得る事ができる。また燃料電池セル１１は、ＭＥＡ１３を両面から２枚の集電体で挟みこみ、液体燃料を供給するアノード３２側を燃料タンク部１２側に向けてフレーム１０上に固定することで得る事ができる。【００６７】
固体高分子電解質膜３３に関しては、プロトンを伝導することができるものならば、その材質は限定されない。また、カソード３１及びアノード３２の触媒層に関しては、白金微粒子を主成分とする触媒金属を担持させたものを用いることができる。特に、アノード３２側に関しては、一酸化炭素の被毒を防ぐために、ルテニウムなどの他金属成分を白金と共に担持させる事が好ましい。また、フレーム１０上にＭＥＡ１３を搭載する際には、集電体を含めたＭＥＡ１３をねじ止めや接着により固定することができる。但し、この固定方法に関して限定されるものではない。【００６８】
尚、アノード３２への燃料供給に関しては、液体燃料を直接供給する直液法について説明したが、ＰＴＦＥ（ポリテトラフロオロエチレン）などを介した気化供給などの方法を用いる事もできる。アノード３２側への燃料供給方法に関しては、ここで示した方法のみに限定されるものではない。【００６９】
上述のような燃料電池セル１１を複数個配列し、集電体同士を電気的に接続することで、燃料電池スタック１５が形成される。【００７０】
以上説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム１を用いれば、空気流空間２７からの排ガスを、気流発生部１００を介して再度空気流空間２７へ送り込む事で、比較的乾燥し易く冷却され易い位置の燃料電池セルを加温、加湿することができる。即ち、燃料電池セル１１間の発電環境が、温度、湿度の点で均一化される。【００７１】
その結果、カソード生成水や、ＭＥＡを通じた燃料揮発を抑制することができるので、投じた燃料あたりの発電効率が増大する。また、加温によって、燃料電池スタック１５の温度を上げて出力させることもできる。更には、ダクト８０を通じて、燃料成分の回収も可能となる。【００７２】
この時、排ガスの循環経路途中に気流発生部１００を配置しているので、気流発生部１００が気流を発生させるために必要なエネルギーは僅かで済む。よって、低消費電力で排ガスの再利用を行う事ができる。【００７３】
また、気流発生部１００を燃料電池スタック１５の平面方向に配置させた場合には、厚み方向に対する省スペース化にもなるので、携帯機器用の電源として有利である。【００７４】
（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。図９は、本実施の形態に係る燃料電池システム１の構成を示す図である。第１の実施形態と比較して、ダクト８０が設けられていない点、空気流空間２７内に仕切り２６が設けられている点で異なっている。尚、燃料電池セル１１の構成などは第１の実施形態と同様であり、説明を省略する。【００７５】
仕切り２６は、２列×３行に配置された燃料電池セル１１の列間を分割するように設けられている。仕切り２６によって、空気流空間２７は、第１の空気流空間２７Ａと、第２の空気流空間２７Ｂとに分割されている。【００７６】
仕切り２６は、気流の流れを整流することのできる材料である。すなわち、仕切り２６によって、第１の空気流空間２７Ａと第２の空気流空間２７Ｂとでは空気流が分別される。これにより、第１の空気流空間２７Ａと第２の空気流空間２７Ｂとは、夫々独立したスタック吸気開放部２４Ａ、Ｂと、スタック排気開放部２５Ａ、Ｂとを有している。即ち、一の開放部が、仕切り２６により、スタック吸気開放部２４Ａとスタック排気開放部２５Ｂに分割され、他の開放部がスタック排気開放部２５Ａとスタック吸気開放部２４Ｂとに分割されている。【００７７】
仕切り２６としては、空気流をある程度分別することができれば、完全に分別させる必要はない。このような素材としては、発泡ウレタン素材などを挙げることができる。仕切り２６が通気性を持つ場合、仕切り２６を介して燃料電池セル２６の列間で熱交換を行うことができるので、燃料電池スタック１５の温度分布が均一化される。【００７８】
気流発生部１００は、スタック排気開放部２５Ａで燃料電池スタック１５に隣接するように配置されている。気流発生部１００は燃料電池スタック１５と同一平面上に設けられている。気流発生部１００は、第１の実施形態のそれに対して、ファンカバー排気口５４と、ファン排気口５６（図９では図示されていない）とが設けられている向きにおいて変更されている。本実施の形態では、ファンカバー排気口５４およびファン排気口５６は、ファンカバー吸気口５３の向きと直交する方向を向くように設けられている。即ち、第１の空気流空間２７Ａを流れてきた排ガスは、空気流発生部１００において、流れの向きが平面方向で９０°変化する。【００７９】
ファンカバー排気口５４とスタック吸気開放部２４Ｂとの間は、接続部材が設けられることにより、閉じられた空間となっている。その閉じられた空間を介して、気流発生部１００は、排気側でスタック吸気開放部２４Ｂと連通している。【００８０】
尚、空気流空間や、閉じられた空間の上部（厚み方向側）は、蓋７０によって覆われている。【００８１】
この図９中において、矢印は気流の流れる方向（送風経路９０）を示している。気流発生部１００が駆動すると、スタック吸気開放部２４Ａから第１の空気流空間２７Ａ内に空気が供給される。第１の空気流空間２７Ａからの排ガスは、気流発生部１００及びスタック吸気開放部２４Ｂを介して、第２の空気流空間２７Ｂへ供給される。第２の空気流空間２７Ｂを流れたガスは、スタック排気開放部２５Ｂを介して外部へ排出される。【００８２】
本実施の形態に依れば、第２の空気流空間２７Ｂのスタック吸気開放部２４Ｂ近傍の燃料電池セル１１では、第１の空気流空間２７Ａで加湿されて加温された排ガスが供給されてくるので、乾燥や冷却を防ぐ事ができる。【００８３】
また、厚み方向にダクト８０を有していないので、第１の実施形態と比較して、更に厚み方向に対するスペースを省略することが出きる。よって、省スペース化の要求される携帯機器用の電源として、更に有利である。【００８４】
尚、本実施の形態では、気流発生部１００とスタック吸気開放部２４Ｂとの間の空間は閉じられているとして説明したが、必要に応じて、新鮮な空気（酸素を多量に含む空気）を取り入れるために、一部を開口させて外部から空気が流入させる構成としてもよい。第１の空気流空間２７Ａからの排ガスの少なくとも一部が第２の空気流空間２７Ｂへ供給されれば、第２の空気流空間２７Ｂの上流側において加温、加湿効果を得る事ができる。【００８５】
（実施例の説明）
以下、本発明を具体例を挙げて説明するために、本発明者らによって行われた実験結果を実施例として、比較例と比較しつつ説明する。【００８６】
（実施例１）
実施例１に用いた燃料電池システムは、図１に示された構成のものである。燃料電池セルの構造について以下に説明する。先ず、炭素粒子（ライオン社製のケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ）に粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金微粒子を重量比で５０％担持させた触媒担持炭素微粒子を用意した。この触媒担持炭素微粒子１ｇにデュポン社製の５重量％ナフィオン溶液（商品名；ＤＥ５２１、「ナフィオン」はデュポン社の登録商標）を加え、攪拌して、カソード形成用の触媒ペーストを得た。この触媒ペーストを基材としてのカーボンペーパー（東レ社製のＴＧＰ−Ｈ−１２０）上に１〜８ｍｇ／ｃｍ２の塗工量で塗布し、乾燥させて、４ｃｍ×４ｃｍのカソード３１を作製した。一方、白金微粒子に代えて粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金微粒子（Ｒｕの割合は５０ａｔ％）を用いた以外は上記カソード形成用の触媒ペーストを得る条件と同じにして、アノード形成用の触媒ペーストを得た。この触媒ペーストを用いた以外は上記カソードの作製条件と同じ条件で、アノード３２を作製した。【００８７】
次に、デュポン社製のナフィオン１１７（数平均分子量は２５００００）からなる８ｃｍ×８ｃｍ×厚さ１８０μｍの膜を固体高分子電解質膜３３として用意した。この膜の厚さ方向の一方の面に上記カソード３１をカーボンペーパーが外側となる向きで配置した。他の面に上記アノード３２をカーボンペーパーが外側となる向きで配置した。そして、各カーボンペーパーの外側からホットプレスした。これによりカソード３１及びアノード３２が固体高分子電解質膜３３に接合したＭＥＡ（電極−電解質膜接合体）１３が得られた。【００８８】
次に、カソード３１とアノード３２の上に、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）からなる外寸法６×６ｃｍ２、厚さ１ｍｍ、幅１１ｍｍの矩形枠状の枠板からなる集電体４１，４２を配置した。なお、固体高分子電解質膜３３とアノード集電体４２との間に、シリコンゴム製の外寸法６×６ｃｍ２、厚さ０．３ｍｍ、幅１０ｍｍの矩形枠状の枠板からなるシール部材４３を配置した。また、固体高分子電解質３３とカソード集電体４１との間などに、その他のシール部材として、シリコンゴム製の外寸法６×６ｃｍ２、厚さ０．３ｍｍ、幅１０ｍｍの矩形枠状の枠板からなるシール部材４３を配置した。集電体４１，４２の外にはみ出した固体高分子電解質膜３３は切断した。【００８９】
燃料電池システム１を構成するフレーム１０として、外寸１９．５ｃｍ×１４．５ｃｍ×厚さ１ｃｍのアクリル製のものを用意した。フレーム１０内部には、燃料電池セル１１を２列×３行で並べられるように、６個の凹部を燃料電池タンク部１２として形成させた。燃料が、スタック燃料インレット２１から供給され、全ての燃料電池セル１１に燃料を通過した後、スタック燃料アウトレット２２から排出させるような流路構造とした。各燃料タンク部１２は、内寸法４×４ｃｍ、深さ５ｍｍの容器であり、燃料タンク部１２の内部には、燃料保持材として、ウレタン素材からなるウィッキング材６０を挿入した。【００９０】
ＭＥＡ１３、カソード集電体４１、アノード集電体４２、シール部材４３を、上記の燃料タンク部１２に配置し、所定数のネジによりネジ止めして一体化し、実施例１に係る燃料電池セル１１および燃料電池セル１２の集合体である燃料電池スタック１５を得た。【００９１】
電気的には、隣接する燃料電池セル１１の集電体を介して直列接続した。図１において、左下に位置する燃料電池セルからマイナスの端子１５２、右下に位置する燃料電池セルからプラスの端子１５１を取り出した。【００９２】
上記のようにして形成させた燃料電池スタック１５を、底面が厚さ１ｍｍ×奥行き２０ｃｍ×幅１５ｃｍのアルミニウム製の筐体１４に載置した。アルミニウム製の筐体１４表面は、ポリプロピレン製粘着シートを貼り、絶縁した。短辺方向の両脇は、図１に示したように折り曲げて衝立となっており、燃料電池スタックの上面は、蓋７０で被覆した。【００９３】
燃料電池スタック１５を、筐体１４および蓋７０で被覆することによって、燃料電池スタックの上下には開放部分が形成される。この開放部分においては、カソード３１と蓋７０の距離は１．２ｍｍ程度であった。このように形成させた開放部分、すなわち空気流空間２７の一方から空気を導入し、他方から排出することによって、燃料電池セル１１のカソード３１面上に空気流を形成できるようにした。また、小型のファン５１を用い、ファン吸気口５５とファン排気口５６の二つの開放部をもつファンカバー５２で覆うことで、空気流を整流できる様にした。【００９４】
ファンカバー５２と蓋７０の上面部分のつなぎ目には段差が無いようにした。また、そのつなぎ目には気密するためにプラスチックテープを貼った。そして、図１断面図に示したように、ダクト８０を、ファンカバー５２および蓋７０の上に設置した。ダクト側壁８２としては、厚さ０．５ｍｍのウレタン材を幅１ｍｍで裁断し、気密性を持たせた。二つあるガイド８１は、それぞれファンカバー排気口５４およびスタック吸気開放部２４に接続した。ガイド８１は、図１（ＤＤ’断面図）のように円弧状に丸めており、その側面はテープで塞いだ。【００９５】
以上のように、新鮮な空気がガイド８１を割り当てていないスタック吸気開放部２４から吸気され、カソード３１を通過したカソード排気は、ダクト８０を通じて再供給される構造とした。【００９６】
（実施例２）
実施例２で用いた燃料電池セルの構造について以下に説明する。ＭＥＡの作製方法および構造は実施例１と同様であり、燃料電池スタック１５の構造も実施例１と同様である。その他の条件も、後述で触れない限り同様である。【００９７】
実施例２に関しては、ダクト側壁８２の一部に開放部分を設けた。具体的には、ダクト８０の長さを３分割する箇所で、片側２箇所ずつ、計４箇所の隙間を設けた。隙間の幅は、２ｍｍとした。【００９８】
（実施例３）
実施例３で用いた燃料電池セルの構造について以下に説明する。ＭＥＡの作製方法および構造は実施例１と同様であり、燃料電池スタック１５の構造も実施例１と同様である。その他の条件も、後述で触れない限り同様である。【００９９】
実施例３に関しては、図７に示したように、ダクト８０の中央部分にファン５１を設置した。このような構造の場合、空気流空間２９を流れる空気の速さが遅くなるため、発電時の風量を、実施例１および実施例２の１．５倍にした。【０１００】
（実施例４）
実施例４で用いた燃料電池セルの構造について以下に説明する。ＭＥＡの作製方法および構造は実施例１と同様であり、燃料電池スタック１５の構造も実施例１と同様である。その他の条件も、後述で触れない限り同様である。本実施例では、筐体１４の構造を以下の様に工夫した。【０１０１】
実施例４に関しては、図９に示したように、２列からなる燃料電池セル１１の右側列の後方にファン５１を設置した。右側列と左側列の間には、空気流を仕切るための仕切２６を設けた。ファン５１による排気を、送風方向と垂直にして、左側の列に送風されるようにした。そのため、発電時においては、右側列には外気がそのまま送風され、左側列には右側列のカソード排気が送風される。【０１０２】
（比較例１）
比較例１で用いた燃料電池セルの構造について以下に説明する。ＭＥＡの作製方法および構造は実施例１と同様であり、燃料電池スタック１５の構造も実施例１と同様である。その他の条件も、後述で触れない限り同様である。【０１０３】
比較例１に関しては、図１０のように、ダクト８０のない通常の送風方法とした。そのため、スタック吸気開放部２４には、常に外気が取り込まれ、カソード排気はそのままスタック排気開放部２５、ファン５１を通じて外気に放出される。【０１０４】
（実験結果）
実施例１〜４および比較例１について、以下のような発電試験を行った。１０ｖｏｌ％メタノール水溶液１０００ｍＬを１０ｍＬ／ｍｉｎの流速で各燃料電池スタック１５に循環供給させ、２５℃、５０％の大気環境にて、１００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度に相当する電流値で３時間発電試験を行った。そのときの電圧の変化を０．５、１、２、３時間ごとにモニターした。図１１は、各条件における結果を示している。【０１０５】
比較例１においては、終始安定して発電していたものの、空気流の上流にあたるＭＥＡ１３が外気で冷やされやすく、また、カソード３１の湿度が低く、乾燥気味であったため、実施例１〜４に比較すると電圧が低かった。また、カソード排気はそのまま外気に排出されたため、燃料利用率は１０．０ｇ／ｈであり、後述の実施例と比較すると劣っていた。【０１０６】
実施例１では、カソード３１を通過することによって暖められた高湿度のカソード排気が、そのまま再供給されるため、空気流の上流に位置するＭＥＡ１３の温度が十分にあがり、かつ適度な湿度となったため、全体的に電圧が高くなった。燃料利用率に関しても、空気流空間２９の湿度が十分に高くなったため、カソード生成水蒸発およびＭＥＡ１３を通じた燃料成分の揮発が抑制でき、投じた燃料が無駄なく消費できた。【０１０７】
実施例２に関しては、傾向としては実施例１と同様の結果となったが、ダクト側壁８２に隙間があいているため、温度上昇が抑制され、実施例１と比較して電圧自体はやや低くなった。但し、空気流空間２９の水分の絶対量が減ったため、筐体１４内部における結露が抑制され、２時間から３時間にかけての電圧の低下が起こらなかった。また、比較例１と比較すると、燃料利用率は、比較例１と比較すると良好な値（少ない値）を示したが、実施例１よりはやや劣っていた。実施例１と比較して劣るのは、ダクト側壁８２に隙間を設けたので、カソード排気が外気中に排出され易くなった為であると考えられる。【０１０８】
実施例３では、ほとんど実施例１と同じ結果であった。但し、２時間から３時間の間で、若干の電圧低下が見られた。これは、ファン５１が直接に送風する構造ではないために、若干の結露が起こった為であると考えられる。燃料利用効率に関しては、カソード排気を循環させているため、実施例１とほぼ同様の値を得た。【０１０９】
実施例４では、発電の初期に、空気流の上流でやや乾燥気味であったが、発電の継続に伴って発電に適した湿度条件となった。そのため、電圧は１時間以降では安定した電圧を得ることができた。ただし、発電の継続に伴って、ファン５１よりも下流部分で結露が多くなったため、全体的には電圧が高かったものの、２時間から３時間にかけて電圧が低下した。燃料利用効率は、カソード排気を循環させないため、実施例１と比較するとやや劣る値であったが、比較例１と比べると十分によい値であった。【０１１０】
このように、実施例１〜４に示した本発明の方法を用いると、カソード３１における乾燥が低減され、また、スタック温度も高くなるため、全体的な出力が高くなる。そのため、必要な電圧をより低い電流値で得ることができ、さらには、カソード生成水の揮発やＭＥＡを通じた燃料揮発も抑制されるため、投じた燃料あたりの発電時間が向上する。その結果、従来方法よりも安定した発電を、長時間継続することが可能となる。この方法は、平面スタック型燃料電池のように、高い消費電力を必要とする燃料電池スタックにおいて有効であり、ＰＣなどの比較的高出力を必要とする携帯機器への燃料電池搭載を可能とする。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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